Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись із конструкцією рубильника. Визначити його тип та зробити ескіз.

2. Вивчити конструкцію пакетних вимикачів. За допомогою приладу перевірити замикання відповідних контактів при ввімкнені чи перемиканні. Зробити ескіз пакетного вимикача.

3. Вивчити конструкцію кнопок керування та кнопкових станцій. Розібратись з особливістю будови. Зробити ескіз кнопки одного з типів.

4. Вивчити конструкцію шляхових, кінцевих та мікровимикачів. Зробити ескізи мікровимикача та одного з типів шляхових вимикачів.

5. Вивчити конструкцію та розібратися з принципом дії контакторів постійного та змінного струмів. Звернути увагу на будову системи дугогасіння. Зробити ескізи контакторів постійного та змінного струмів.

Зміст звіту

1. Короткий опис і схематичне зображення основних типів електричних апаратів згідно з порядком виконання роботи.

2. Висновки за роботою.

Контрольні питання

1. Роз’ясніть особливості застосування рубильників різних типів.

2. Яке призначення ізоляційних (фібрових) прокладок у пакетному вимикачі?

3. Які переваги мають кулачкові пакетні вимикачі над іншими?

4. За якими параметрами вибираються пакетні вимикачі?

5. За якими параметрами розрізняються кнопки керування?

6. У яких умовах застосовують кнопкові та важільні шляхові вимикачі?

7. Де і чому застосовують мікровимикачі?

8. У чому конструктивна відмінність контакторів постійного і змінного струму?

9. Наведіть найбільш розповсюджені системи дугогасіння.

10. Навіщо взагалі гасити дугу?

11. Яка принципова відмінність контактора від пакетного вимикача?

12. Чи можна замінити контактор пакетним вимикачем і навпаки? Пояснити чому?

13. Назвіть кілька сучасних виробників контактної апаратури.

Література: [1; 3–6].

Лабораторна робота № 2 Тема. Дослідження конструкції низьковольтних електричних апаратів захисту

Мета роботи – вивчити принцип дії та конструкцію найбільш розповсюджених низьковольтних електричних апаратів захисту.

Короткі теоретичні відомості

Розглянемо найбільш розповсюджені апарати захисту: запобіжники, автоматичні вимикачі, пристрої захисного вимикання.

Запобіжники

Запобіжники – це електричні апарати, призначені для захисту електричних ланцюгів від струмових перевантажень і струмів короткого замикання (КЗ). Основними елементами запобіжника є плавка вставка, яка вмикається послідовно з ланцюгом, що захищається, та дугогасильний пристрій. Основними характеристиками запобіжника є номінальний струм, номінальна напруга та часо-струмова характеристика.

До запобіжників висувають наступні вимоги:

1. Часо-струмова характеристика запобіжника повинна проходити нижче, але якомога ближче до часо-струмової характеристики об'єкта, який захищають.

2. Час спрацьовування запобіжника при КЗ повинен бути мінімально можливим, особливо під час захисту напівпровідникових приладів.

3. Запобіжники повинні працювати зі струмообмеженням (у деяких дугогасильних пристроях після виникнення дуги її опір так швидко зростає, що струм у ланцюзі починає зменшуватися за рахунок цього опору і не досягає максимально можливого значення. Такий процес вимикання називається процесом зі струмообмеженням).

4. Запобіжники повинні забезпечувати селективність захисту.

5. Характеристики запобіжника повинні бути стабільними, а технологічний розкид їх параметрів не повинен порушувати надійність захисту.

6. Запобіжники повинні мати високу здатність вимикання.

7. Конструкція запобіжника повинна забезпечувати можливість швидкої та зручної заміни плавкої вставки при її перегорянні.

Запобіжники з гасінням дуги в закритому просторі

Запобіжники на струми до 60 А можуть мати спрощену конструкцію. Так, на рис. 2.1, а зображено запобіжник типу ПР-2. У ньому плавка вставка 1 притискається до латунної обойми 4 ковпачком 5, що є вихідним контактом, а на рис. 2.1, б приєднується до контактних ножів за допомогою болтів. Плавка вставка 1 штампується з цинку, що є легкоплавким та стійким до корозії матеріалом. Зазначена форма вставки дозволяє одержати сприятливу часо-струмову (захисну) характеристику.

Рисунок 2.1 – Запобіжник типу ПР-2

Вставка розташовується в герметичному трубчастому патроні, що складається з фібрового циліндра 3, латунної обойми 4 і латунного ковпачка 5.

При відключенні згоряють звужені перешийки плавкої вставки, після чого виникає дуга. Під дією температури дуги фіброві стінки патрона виділяють газ, у результаті чого тиск у патроні за частки напівперіоду піднімається до 4..8 МПа. За рахунок збільшення тиску піднімається вольт-амперна характеристика дуги, що сприяє її швидкому гасінню.

Плавка вставка може мати від одного до кількох звужень (рис. 2.1, в) залежно від номінальної напруги. Звужені ділянки вставки сприяють швидкому її плавленню при КЗ та створюють ефект струмообмеження.

Запобіжники працюють безшумно, без викиду полум'я й газів, що дозволяє встановлювати їх на близькій відстані один від одного.

Залежно від номінального струму випускається кілька габаритів патронів різних діаметрів. У патроні кожного габариту можуть установлюватися вставки на різні номінальні струми. Так, у патроні на номінальний струм 15 А можуть бути встановлені вставки на струм 6, 10 і 15 А.

Запобіжники типу ПР-2 мають струмообмеженням. Так, у ланцюзі зі струмом КЗ 50000 А плавка вставка на номінальний струм 6 А перегоряє при струмі всього 400 А. Однак, чим більший номінальний струм, тим менший ефект струмообмеження. При номінальному струмі 600 А струмообмеження відсутнє, тому що дуга горить увесь напівперіод.

В побуті, де струми часто не перевищують кількох ампер, застосовують більш прості запобіжники (рис. 2.2). Їх відмінність від розглянутих вище полягає у відсутності фібрового циліндра (використовують скло, кераміку), а також більш простій будові плавкої вставки (тонка нитка).

Рисунок 2.2 – Запобіжники

Запобіжники з дрібнозернистим наповнювачем

Ці запобіжники більш досконалі, ніж запобіжники ПР-2. Часто вони мають покажчик спрацьовування. Розглянемо типову конструкцію запобіжників даного типу (рис. 2.3). Корпус квадратного перерізу 1 запобіжника виготовляється з міцного фарфору чи стеатиту. Усередині корпусу розташовані стрічкові плавкі вставки 2 і наповнювач – кварцовий пісок 3. Плавкі вставки приварюють до диска 4, що кріпиться до пластин 5, з'єднаних із ножовими контактами 9. Пластини 5 кріпляться до корпусу ґвинтами.

Рисунок 2.3 – Запобіжник із дрібнозернистим наповнювачем

Як наповнювач використовують кварцовий пісок чи гранули із зернами певного розміру та вологістю. Зерна кварцового піску мають високу теплопровідність і добре розвинуту поверхню охолодження.

Плавка вставка виконується переважно з мідної стрічки завтовшки 0,1..0,2 мм. Для одержання струмообмеження вставка має звуження в перерізі.

Плавка вставка розділена на три рівнобіжні стрічки для більш повного використання наповнювача. Застосування тонкої стрічки, ефективне тепловідведення від звужених ділянок дозволяють вибрати невеликий мінімальний переріз вставки для даного номінального струму, що забезпечує високу здатність струмообмеження. З'єднання декількох звужених ділянок послідовно сприяє уповільненню зростання струму після плавлення вставки, тому що зростає напруга на дузі запобіжника. Для зниження температури плавлення на вставки наносяться олов'яні смужки (металургійний ефект).

При КЗ плавка вставка згорає і дуга виникає у каналі, утвореному зернами наповнювача. Після спрацьовування запобіжника плавкі вставки разом із диском замінюють, після чого патрон засипають піском. Для герметизації патрона під пластини кладеться азбестова прокладка, що захищає пісок від зволоження. При номінальному струмі 40 А та нижче запобіжник має більш просту конструкцію.

Запобіжники часто мають покажчик спрацьовування. При згорянні плавкої вставки звільняється спеціальна пружина, що викидає кольоровий покажчик у засклений отвір. Після спрацьовування запобіжника заміняється циліндр зі згорілою плавкою вставкою й сигнальним пристроєм.

Автоматичні вимикачі (автомати)

Автоматичні вимикачі використовують як захисні апарати від коротких замикань та перевантажень, а також для нечастих оперативних відключень електроприймачів при нормальних режимах роботи. Таким чином, автомати виконують функції пакетних вимикачів, запобіжників та магнітних пускачів. Вони зручні в експлуатації, надійні та безвідмовні в роботі, мають багаторазовість дії.

В автоматах використовують принцип моментального ввімкнення, коли замикання та розмикання контактів здійснюється заздалегідь зведеною пружиною. При цьому швидкість руху контактів достатньо висока та не залежить від швидкості вмикаючої рукоятки. Елементами захисту є тепловий розчеплювач, який нагрівається струмом, та електромагнітний розчеплювач. Для вмикання автомата варто привести його пружину у зведений стан.

Зовнішній вигляд деяких сучасних автоматичних вимикачів зображено на рис. 2.4. На рис. 2.5 у розрізі показано автоматичний вимикач серії М фірми «АВВ». Основні характеристики автоматів обов’язково подаються на їх лицьовій панелі (рис. 2.6).

Рисунок 2.4 – Автоматичні вимикачі

Рисунок 2.5 – Автоматичний вимикач серії М фірми «АВВ» в розрізі

Рисунок 2.6 – Позначення на автоматі (ілюстрація з каталогу «АВВ»)

Пристрій захисного вимикання

Пристрої захисного вимикання (ПЗВ), що реагують на диференціальний струм, поряд із пристроями захисту від надструму, належать до додаткових видів захисту людини від ураження при непрямому дотику, що забезпечується шляхом автоматичного вимикання живлення. Захист від надструму (при застосуванні захисного занулення) забезпечує захист людини при непрямому дотику – шляхом вимикання автоматичними вимикачами чи запобіжниками ушкодженої ділянки ланцюга при короткому замиканні на корпус.

При малих струмах замикання, зниженні рівня ізоляції, а також при обриві нульового захисного провідника занулення недостатньо ефективне, тому в цих випадках ПЗВ є єдиним засобом захисту людини від ураження електричним струмом.

В основі дії захисного вимикання як електрозахисного засобу лежить принцип обмеження (за рахунок швидкого вимикання) тривалості протікання струму через тіло людини при ненавмисному дотику до елементів електроустановки, які знаходяться під напругою. З усіх відомих електрозахисних засобів ПЗВ є єдиним, що забезпечує захист людини від ураження електричним струмом при прямому дотику до однієї зі струмопровідних частин.

Функціонально ПЗВ можна визначити як швидкодіючий захисний вимикач, що реагує на диференціальний струм у провідниках.

Зовнішній вигляд ПЗВ зображено на рис. 2.7. На рис. 2.8 показано ПЗВ у розрізі. Параметри ПЗВ подають на передній панелі (рис. 2.9).

Найважливішим функціональним блоком ПЗВ є диференціальний трансформатор струму 1. В абсолютній більшості ПЗВ як датчик диференціального струму використовується трансформатор струму. У літературі з питань конструювання та застосування ПЗВ цей трансформатор іноді називають трансформатором струму нульової послідовності – ТСНП, хоча поняття "нульова послідовність" застосовується тільки до трифазних ланцюгів і використовується при розрахунках несиметричних режимів.

Рисунок 2.7 – Пристрої захисного вимикання

Рисунок 2.8 – ПЗВ у розрізі

Рисунок 2.9 – Позначення на лицьовій панелі ПЗВ

Рисунок 2.10 – Структура ПЗВ

Основні функціональні блоки ПЗВ зображено на рис. 2.10.

Пусковий орган (граничний елемент) 2 виконують, як правило, на чутливих магнітоелектричних реле прямої дії чи на електронних компонентах. Виконавчий механізм 3 містить у собі силову контактну групу з механізмом привода.

У нормальному режимі, за відсутності диференціального струму – струму витоку, в силовому ланцюзі по провідниках, що проходять крізь вікно магнітопроводу трансформатора струму 1, протікає робочий струм навантаження. Провідники, що проходять крізь вікно магнітопроводу, утворюють зустрічно ввімкнені первинні обмотки диференціального трансформатора струму. Якщо позначити струм, що протікає в напрямку до навантаження як I₁, а від навантаження – як I₂, то можна записати I₁ = I₂.

Однакові струми в зустрічно ввімкнених обмотках наводять у магнітному осерді трансформатора струму однакові, але зустрічно спрямовані магнітні потоки Ф₁ і Ф₂. Результуючий магнітний потік дорівнює нулю, струм у вторинній обмотці диференціального трансформатора також дорівнює нулю. Пусковий орган 2 знаходиться в цьому випадку в стані спокою.

Під час дотику людини до відкритих струмопровідних частин чи до корпусу, на якому відбувся пробій ізоляції, по фазному провіднику через ПЗВ, крім струму навантаження I₁, протікає додатковий струм – струм витоку (I_Δ), що є для трансформатора струму диференціальним (різницевим).

Нерівність струмів у первинних обмотках (I₁ + I_Δ у фазному провіднику і I₂ = I₁, у нейтральному провіднику) викликає нерівність магнітних потоків і, як наслідок, виникнення на вторинній обмотці напруги. Якщо диференціальний струм перевищує значення уставки граничного елемента пускового органа 2, останній спрацьовує й впливає на виконавчий механізм 3.

Виконавчий механізм, що, як правило, складається з пружинного привода, спускового механізму та групи силових контактів, розмикає електричний ланцюг. У результаті електроустановка знеструмлюється.

Для здійснення періодичного контролю справності (працездатності) ПЗВ передбачено схему тестування 4. При натисканні кнопки "Тест" штучно створюється диференціальний струм і ПЗВ повинно спрацювати.